TECNOLOGÍA. Robots bioinspirados caminan, nadan, se deslizan y vuelan

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El Mini Cheetah, desarrollado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, puede correr a velocidades de hasta 3,9 metros por segundo. Fuente: MIT CSAIL

Los ingenieros buscan en la naturaleza ideas sobre cómo hacer que los robots se muevan por el mundo

02 noviembre 2022.- Muchos especialistas en robótica buscan inspiración en la biología para el diseño de robots, particularmente en el área de la locomoción. Aunque los grandes robots industriales en las fábricas de vehículos, por ejemplo, permanecen anclados en su lugar, otros robots serán más útiles si pueden moverse por el mundo, realizando diferentes tareas y coordinando su comportamiento.

Algunos robots ya pueden moverse sobre ruedas, pero los robots con ruedas no pueden subir escaleras y se ven obstaculizados por terrenos irregulares o cambiantes, como arena o grava. Al tomar prestadas estrategias de movimiento de la naturaleza (caminar, gatear, nadar, deslizarse, volar o saltar), los robots podrían obtener una nueva funcionalidad. Pueden realizar operaciones de búsqueda y rescate después de un terremoto, o explorar cuevas que son demasiado pequeñas o inestables para que la gente se aventure. Podrían realizar inspecciones submarinas de barcos y puentes. Y los vehículos aéreos no tripulados (UAV) podrían volar de manera más eficiente y manejar mejor la turbulencia.

La idea básica es mirar a la naturaleza para ver cómo las cosas se pueden hacer de manera diferente, cómo podemos mejorar los sistemas automatizados.

Ver desempeño de objetivos

Quizás la estrategia más obvia para el movimiento robótico sea caminar, y existen robots con patas. Spot, una máquina baja de cuatro patas que parece un perro amarillo sin cabeza, puede subir cuestas y subir escaleras. Su desarrollador, Boston Dynamics en Waltham, Massachusetts, comercializa el dispositivo de US$74.500 para la inspección móvil de fábricas, sitios de construcción y entornos peligrosos. 

Un robot de apariencia similar, el Mini Cheetah (guepardo, en español), ha sido desarrollado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge. Más del 90 % de los animales terrestres son cuadrúpedos. Entonces, un lugar natural para mirar es el mundo cuadrúpedo. Y el guepardo es el rey de ese mundo en términos de velocidad.

El Mini Cheetah ya puede realizar volteretas hacia atrás y corre a una velocidad de 3,9 metros por segundo, aproximadamente una décima parte de la velocidad de un guepardo real, pero veloz para un robot. Ahora, los ingenieros están desarrollando un software de control que esperan permita que el robot se mueva sin problemas a través de diferentes superficies. Esto es un desafío porque las reglas sobre la mejor manera de mover una extremidad varían según la fricción y la dureza de la superficie. Actualmente, pasar de la hierba al cemento o correr cuesta arriba con grava puede hacer que el robot tropiece. 

Sin embargo, los robots cuadrúpedos son una de las mejores opciones para sortear terrenos difíciles. Los diseños a los que en pruebas de campo les fue muy bien en este tipo de terrenos fueron los robots con patas. Pero frente a un paisaje arenoso, cuesta arriba y rocoso, estos robots tuvieron un desempeño loable.

Asimilar información mecanosensorial

Una posible solución, dicen los ingenieros, es dotar a los robots de la capacidad innata de los animales para sentir y responder a la información mecanosensorial, como la presión, la tensión o la vibración. Ya se ha adoptado ese enfoque con máquinas voladoras mediante la incorporación de sensores de tensión en las alas de los vehículos aéreos no tripulados de ala fija, así como en los brazos de los drones quadrotor, que dependen de palas giratorias para volar y flotar.

El enfoque surgió de los estudios de las abejas melíferas observando el rápido cambio en el patrón de sus aleteos. Las abejas melíferas batieron sus alas 251 veces por segundo, y los animales podían hacer estas correcciones en solo 15 a 20 latidos, alrededor de 0,08 segundos. La conclusión a la que se llegó es que ese comportamiento tenía que deberse a información mecanosensorial. La visión no es lo suficientemente rápida para corregir los giros. Si un dron pudiera detectar una perturbación de manera similar y corregirla automáticamente tan rápido, sería mucho menos probable que se estrellara o se desviara de su curso.

Algunos investigadores están recurriendo a las abejas como inspiración para robots que puedan responder a la información mecanosensorial. Fuente: Sumiko Scott/Getty

Los peces también responden a estímulos mecanosensoriales, utilizando un sistema de órganos sensoriales conocido como línea lateral. La estructura consta de cientos de pequeños sensores distribuidos a lo largo de la cabeza, el tronco y la aleta caudal, y permite que los peces detecten cambios en el movimiento y la presión del agua causados ​​por obstáculos, como rocas y otros animales. No existe un sensor de presión submarina comparable, pero los ingenieros esperan desarrollar uno para mejorar la navegación de los Bluebots.

En San Diego (EE.UU.), Tolley está explorando robots construidos con polímeros u otros materiales flexibles que puedan interactuar de manera más segura con los humanos o atravesar espacios reducidos. Los robots blandos y flexibles podrían tener un movimiento más flexible que los robots duros con solo unas pocas articulaciones, pero lograr que caminen con piernas blandas es un desafío.

Tolley diseñó un robot con cuatro patas blandas, cada una dividida en tres cámaras 2 . El aire presurizado entra primero en una cámara y luego pasa a la siguiente. Este movimiento hace que las piernas se doblen y luego se relajen. Activando alternativamente pares de patas opuestas, el robot avanza como una tortuga. Y como no necesita controles electrónicos, su diseño podría ser útil incluso en presencia de interferencias electromagnéticas.

Duro o blando, uno de los problemas con los que luchan los robots es caerse. Si un robot multimillonario tropieza con una roca en Marte, toda una misión podría verse comprometida. Algunos investigadores buscan soluciones en los insectos, en particular los escarabajos click que pueden saltar hasta 20 veces la longitud de su cuerpo sin usar las patas 3 .

El modo de andar de este robot de patas blandas, propulsado por aire a presión, se parece al de una tortuga. Fuente: Izquierda: David Baillot/UCSD. Drotman y col., Sci. robot _ 6 _ eaay2627 (2021); derecha: Voshadhi/Getty

Los escarabajos click usan un músculo para comprimir el tejido blando, acumulando energía; un sistema de pestillo mantiene el tejido comprimido en su lugar. Cuando el animal suelta el pestillo, produciendo su característico chasquido, el tejido se expande rápidamente y el escarabajo sale disparado por los aires, acelerando unas 530 veces la fuerza de la gravedad. (En comparación, un pasajero en una montaña rusa generalmente experimenta aproximadamente cuatro veces la fuerza de la gravedad). Si un robot pudiera hacer eso, tendría un mecanismo para enderezarse después de volcar.

Aún más interesante, es que el escarabajo puede realizar esta maniobra cuatro o cinco veces en rápida sucesión, sin sufrir ningún daño aparente. Se está intentando desarrollar modelos que expliquen cómo se disipa rápidamente la energía sin dañar al insecto, lo que podría resultar útil en aplicaciones que impliquen aceleración y desaceleración rápidas, como los chalecos antibalas. Otras criaturas también almacenan y liberan energía para desencadenar un movimiento rápido, incluidas las larvas de la mosca de la fruta y las trampas para moscas de Venus ( Dionaea muscipula ), y comprender cómo lo hacen podría conducir a músculos artificiales más receptivos.

Totalmente sin piernas

En algunos lugares, como pasajes subterráneos angostos o en superficies inestables, las piernas pueden requerir demasiado espacio o ser demasiado inestables para impulsar un robot. En el Instituto de Robótica de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, se construyen robots con forma de serpiente con 16 articulaciones que brindan un rango de movimiento que podría impulsar todo, desde instrumentos quirúrgicos que recorren el cuerpo hasta robots de reconocimiento que exploran sitios arqueológicos.

En uno de los primeros proyectos, los ingenieros llevaron sus serpientes robóticas al Mar Rojo, donde los antiguos egipcios habían cavado cuevas para almacenar barcos que habían construido para comerciar con la Tierra de Punt, que se cree que se encuentra en la actual Somalia. Las cuevas ya no eran seguras para los exploradores humanos, pero los robots serpiente parecían muy adecuados para la tarea, pero no fueron capaces de hacerlo. 

Para averiguar cómo abordaría el problema una serpiente real, losm ingenieros se fijaron en el comportamiento de las serpientes sidewinders, serpientes que se mueven empujando sus cuerpos hacia los lados en una curva en forma de S, deslizándose fácilmente sobre la arena 4 . Debido a que la arena es granular, puede comportarse como un líquido o un sólido, dependiendo de cuánta fuerza se aplique. Descubrieron que las sidewinders pueden ejercer la cantidad correcta de fuerza de empuje para que la arena permanezca sólida debajo de ellos y apoye sus cuerpos. 


Este robot, inspirado en las serpientes "sidewinders", se mueve girando en una curva en forma de S. Fuente: Carnegie Mellon Univ.

Los ingenieros también están tratando de construir robots que puedan nadar y volar, usando un animal que puede hacer ambas cosas como inspiración: el pez volador 5 . Estas criaturas usan sus aletas pélvicas para deslizarse por la superficie del agua y luego se lanzan al aire, donde pueden planear hasta 400 metros.

Los peces voladores son "en realidad muy buenos planeadores". Pero cuando vuelven a caer al agua, no se sumergen. "En realidad, simplemente sumergen su aleta caudal y la agitan vigorosamente, y luego pueden volver a despegar". Esperan aprender lo suficiente sobre este comportamiento para desarrollar un robot que pueda moverse tanto por el aire como por el agua utilizando los mismos mecanismos de propulsión. Donde la naturaleza realmente puede enseñarnos muchas lecciones es este concepto de multifuncionalidad.

Para otro tipo de locomoción multifuncional, los ingenieros se centran en los saltamontes, que pueden saltar y luego abrir sus alas para planear. Esperan entender qué los hace tan buenos planeadores. Muchos otros insectos dependen del aleteo de alta frecuencia para volar. Tal vez, tenga que ver con la forma de sus alas.

Las aves tienen plumas encubiertas que mejoran su control sobre cómo el flujo de aire interactúa con sus alas. Al comprender estas plumas, los científicos podrían mejorar el vuelo de los vehículos aéreos. Fuente: Bárbara Brady-Smith/Tetra/Getty

Otra fuente de inspiración para los ingenieros son las aves. Y a han utilizado pruebas aerodinámicas y modelos estructurales para investigar las plumas encubiertas: plumas pequeñas y rígidas que se superponen a otras plumas en las alas y la cola de un pájaro 6 . Cuando un ave intenta aterrizar en condiciones de viento, las plumas encubiertas de las alas se despliegan, ya sea de forma pasiva en respuesta al flujo de aire o activamente bajo el control de un tendón. Las plumas encubiertas alteran la forma del ala y le dan al ave un mayor control sobre su interacción con el flujo de aire, y no requieren tanta energía como el aleteo de todo el ala. Al aprender a comprender la física de estas plumas, los ingenieros esperan mejorar el vuelo de un UAV.

Una calle de doble sentido

La biología ha informado a la robótica, pero la ingeniería involucrada también puede proporcionar información sobre la kinesiología animal. Muchas veces, no se empieza mirando la biología sino modelando matemáticamente los principios fundamentales del movimiento que pueda interesar. Y al hacerlo, se idean formas de explicar cómo funciona la biología. Entonces, ¿es biología inspirada en robots o robots inspirados biológicamente?.

Otros ingenieros han tenido experiencias similares al modelar, por ejemplo, la hidrodinámica de la formación de cardúmenes, para ver si la formación proporciona a los peces vivos un beneficio energético. Y los diseños que hacen que los drones vuelen de una manera más eficiente energéticamente podrían ayudar a explicar cómo han evolucionado las aves y los insectos para hacer algo similar. Por ello, los ingenieros confían en que su trabajo, además de construir robots voladores y nadadores, conduzca a una mayor comprensión de los peces voladores. 

Pero a pesar de los vínculos entre la biología y la ingeniería, no esperemos que los robots bioinspirados se parezcan a las criaturas que los influenciaron. Aunque muchos de los primeros intentos de imitar la biología se asemejan a las formas biológicas originales, el objetivo final de los científicos es comprender los principios detrás de cómo funcionan los sistemas y luego adaptarlos a diferentes estructuras y materiales. El objetivo es copiar la física y las reglas de cómo funcionan las cosas para luego crear sistemas de ingeniería que cumplan la misma función.

Más información:

1. Berlinger, F., Gauci, M. y Nagpal, R. Sci. Robot6 , eabd8668 (2021).

2. Drotman, D., Jadhav, S., Sharp, D., Chan, C. & Tolley, M. T. Sci. Robot. 6, eaay2627 (2021).

3. Bolmin, O. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 118, e2014569118 (2021).

4. Chaohui Gong, R., Hatton, L. & Choset, H. In 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation 4222–4227 (2012).

5. Saro-Cortes, V. et al. Integr. Comp. Biol. https://doi.org/10.1093/icb/icac101 (2022).

6. Duan, C. & Wissa, A. Bioinspir. Biomim. 16, 046020 (2021).

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